2.4 Економія електричної енергії в системах електроприводів

Електропривод – електромеханічна система (сукупність елементів), що складається з електродвигуна, перетворювального, передавального і керуючого пристроїв, призначених забезпечити перетворення електричної енергії на механічну, привести в рух виконавчі органи робочої машини та керувати цим рухом.

Електропривод – це ланка, яка поєднує енергосистему з технологічними установками. В якості електродвигунів таких електромеханічних систем найчастіше використовують асинхронні двигуни та двигуни постійного струму.

Основні енергетичні характеристики електромеханічних перетворювачів:

Механічні характеристики електромеханічних перетворювачів в усталеному режимі.

Для двигуна постійного струму: ( електромеханічна характеристика ), де: - електромагнітний потік двигуна; - конструктивна константа; - опір якоря; - напруга на якорі електродвигуна; - момент на валу двигуна; - струм якоря.

Для асинхронного електродвигуна: , де: - напруга на статорі; - струм статора; - число пар полюсів; - опір статора; - сумарний опір ротора; - індуктивний опір короткого замикання; - ковзання ( ), - швидкість ідеального холостого ходу на природній характеристиці; - фактична швидкість обертання, , - частота мережі живлення. При визначенні критичного ковзання як , одержимо вираз критичного моменту: . Для асинхронного двигуна момент валу двигуна наближено можна визначити за формулою Клосса: , , - номінальний момент; - ковзання при .

Потужність на валу асинхронного двигуна визначається моментом на валу двигуна та кутовою швидкістю: .

Потужність, яка споживається двигуном з мережі, визначається механічною потужністю та втратами в двигуні: .

В загальному випадку потужність втрат електроенергії зручно представити сумою втрат, що залежать від навантаження ( змінні втрати) та втрат, що не залежать від навантаження ( постійні втрати):

Постійні втрати:

• втрати в сталі, залежать від магнітного потоку та від швидкості обертання : ;

• механічні втрати, залежать від швидкості обертання : ;

• втрати в обмотці збудження: - для ДПТ - для АД, де - струм обмотки збудження, - опір обмотки збудження, - реактивна складова струму статора, - активний опір обмотки статора.

Якщо представити втрати в сталі та механічні як тоді:

Змінні втрати:

- втрати в міді: , де струм якоря, - опір обмотки якоря

, де - приведений до статора струм ротора, - опір статора, - приведений опір ротора.

Якщо представити = = , а також =( + )= , тоді .

Оптимізація коефіцієнта корисної дії перетворення енергії в електродвигунах: , де - вхідна потужність. Тоді , де не залежать від навантаження на валу двигуна. Тоді .

Максимальний ККД буде тоді, коли буде максимальним чисельник. Тобто похідна від чисельника за навантаженням буде рівнятись нулю, а друга похідна буде мати додатню величину: , . Отже .

Звідси висновок, що найбільш ефективним режимом перетворення енергії в електродвигуні є режим рівності змінних та постійних втрат . При умові, що в робочому режимі для електроприводу необхідно підтримувати на заданому рівні навантаження та швидкість обертання єдиною величиною, якою можна регулювати рівність втрат залишається магнітний потік. Регулювати магнітний потік можна за допомогою регулювання напруги на зажимах статора електродвигуна в залежності від зміни навантаження.

Таким чином, для підтримання максимального ККД при зміні навантаження необхідно змінювати напругу пропорційно *k , де - відношення статичного моменту до номінального моменту двигуна; k – коефіцієнт, що визначається в залежності від вираного методу оптимізації енергоспоживання електроприводу [3].

Основні напрямки енергозбереження в системах промислового електроприводу.

Вдосконалення методики вибору електродвигунів за потужністю.

Цей захід відноситься до простого некерованого наймасовішого електроприводу та складається з вдосконалення процедури (методики) вибору двигуна для конкретної технологічної установки з метою дотримання номінального теплового режиму при експлуатації. Очевидно, що двигун з заниженою потужністю швидко виходить з ладу, а двигун з завищеною потужністю перетворює енергію неефективно, тобто з високим питомими втратами в самому двигуні (низький ККД) та в мережі (низький cosφ). Сучасні конструкції, матеріали електродвигунів, силова електроніка, системи керування дозволяють значно зменшити коефіцієнти запасу, що використовуються в формулах для проектного розрахунку встановлених потужностей електричних двигунів.

Поряд з цим існує велика кількість двигунів, які працюють з низьким коефіцієнтом завантаження, для деяких двигунів він не перевищує 50%. Отже одним із заходів по підвищенню ефективності використання енергії є заміна ненавантажених двигунів на двигуни меншої потужності. Для оцінки економії електроенергії та ефективності заміни необхідно визначити сумарні втрати активної потужності в електродвигуні та електричній мережі до та після реалізації заходу. Ці втрати можна визначити з наступної формули:

, кВт де:

- реактивна потужність, що споживається двигуном з мережі на холостому ході, квар; - струм холостого ходу електродвигуна, А; - номінальна напруга електродвигуна, В; - коефіцієнт завантаження електродвигуна; - середнє навантаження електродвигуна, кВт; - номінальна потужність двигуна, кВт; - реактивна потужність двигуна при номінальному завантаженні, квар; - ККД електродвигуна при повному навантаженні; - похідна від номінального коефіцієнту потужності електродвигуна; - коефіцієнт підвищення втрат (приймаэться рівним 0,1); - втрати активної потужності при холостому ході електродвигуна, кВт; - приріст втрат активної потужності при навантаженні 100%, кВт; - розрахунковий коефіцієнт, який залежить від конструкції електродвигуна та визначається із виразу: ; - втрати потужності при холостому ході в відсотках.

Використання енергозберігаючих двигунів. Цей захід передбачає підвищення економічності електроприводів за рахунок впровадження енергозберігаючих двигунів та двигунів поліпшеної конструкції. В енергозберігаючих двигунах за рахунок підвищення маси активних матеріалів (міді та заліза), застосування сучасних матеріалів, вдосконалення конструкції, за рахунок подовження сердечника з більш якісної пластинчатої сталі, за рахунок зменшення втрат в міді, шляхом максимального використання пазів, вдається поліпшити основні енергетичні характеристики (підвищити номінальні значення ККД та cosφ).

В результаті досягається підвищення ККД на 3 – 7 %, економія електроенергії при цьому складає 3 - 8 %.

Виключення зі складу системи електроприводу проміжних передач. Проблема зводиться до того, що електрична енергія доступна на фіксованій частоті (50 Гц), а механічна енергія потрібна в широкому спектрі частот (швидкостей). До складу загальної схеми електроприводу входять перетворювач або механічний редуктор (коробка швидкостей, муфта ковзання), муфта, редуктор і робочий орган, який є частиною робочої машини. Орієнтовні значення ККД елементів приводу складають: перетворювач – 0,6 – 0,98 (менше значення для малих швидкостей обертання, більше для більш високих швидкостей); двигун – 0,7 – 0,95 (менше значення для мікро машин, більші - для машин підвищеної потужності); механічний редуктор – 0,9 – 0,95; муфта – 0,99; редуктор – 0,95; робочий механізм – 0,95.

Коефіцієнт корисної дії системи електроприводу складається з добутку ККД складових системи. На практиці для двигунів потужністю 10-100 кВт сумарний ККД системи складає – 0,65 – 0,75, при цьому в середньому від 7 до 10 % потужності втрачається в механічних передачах. Таким чином виключення механічних передач із складу системи електроприводу приводить до суттєвого підвищення ККД системи (на 7 – 10 %), що є одним із приоритетних напрямів розвитку електроприводів.

Компенсація реактивної потужності. Асинхронні електродвигуни споживають реактивну потужність, що визначається за формулою: , де: , - відповідно номінальна потужність (кВт) і ККД двигуна; - тангенс, відповідаючий номінальному значенню двигуна. Реактивна потужність, що споживається з мережі при холостому ході (кВар), визначається за формулою: , де: - струм холостого ходу двигуна, А; - напруга на зажимах двигуна, кВ.

Реактивна потужність холостого ходу асинхронних двигунів сягає до 70% реактивної потужності при номінальному завантаженні двигуна. При завантаженнях асинхронного електродвигуна, менше номінального, приріст споживання реактивної потужності в порівнянні з холостим ходом пропорційний квадрату коефіцієнта завантаження двигуна, тоді, реактивна потужність при довільному навантаженні: , де: - коефіцієнт завантаження двигуна. Звідси слідує висновок, що заміна не завантажених двигунів на двигуни меншої потужності буде сприяти зниженню споживання реактивної потужності. Досвід вказує, що якщо середнє навантаження асинхронних двигунів по потужності не перевищує 45% номінальної потужності, то їх слід замінити електродвигунами меншої потужності.

Втрати активної потужності та енергії в живлячій мережі визначаються за формулою:

, , де

- відповідно активна та реактивна потужності, що передаються мережею, кВт, квар; R – активний опір мережі, Ом; - тривалість роботи за розрахунковий період, г; U – лінійна напруга, кВ.

Підвищення ефективності виконання технологічного процесу. Цей захід передбачає підвищення ефективності роботи технологічних установок та механізмів. Для цього необхідно проведення комплексу робіт по оптимізації самого технологічного процесу, режимів роботи технологічного обладнання та інше. В результаті можливо отримати економію електроенергії за рахунок вирівняння графіку роботи агрегатів, що дає змогу застосовувати системи електроприводів меншої потужності, замість існуючих, які передбачали запас по потужності на випадок коливання графіку виробничого процесу; а також за рахунок підвищення завантаження існуючих машин та механізмів.

Збільшення завантаження робочих машин знижує питомі витрати електроенергії, за рахунок підвищення ККД двигуна та робочої машини в області номінальних навантажень. Для визначення кількості зекономленої енергії при збільшенні завантаження вводиться поняття питомі витрати електроенергії на даній робочій машині. Ці витрати рівні кількості енергії, спожитої двигуном з мережі , віднесеної до кожної кіловат-години корисної роботи при даному технічному режимі: , де - потужність, що споживається робочим органом машини, кВт; - час корисної роботи машини, г.

Питомі витрати електроенергії: , де - ККД робочої машини при повному завантаженні; - коефіцієнт завантаження; - номінальна потужність електродвигуна, кВт; - коефіцієнт використання робочої машини, - час холостого ходу машини, г; - час корисної роботи машини, г; - коефіцієнт, який залежить від типу та конструкції машини, рівний 0,7 – 0,9. При максимальному використанні робочої машини, тобто при відсутності холостого ходу ( ) та при повному завантаженні машини ( ) питомі витрати енергії будуть мінімальні: .

Відношення визначає коефіцієнт підвищення питомих втрат енергії в залежності від навантаження та тривалості роботи на холостому ході: .

Для визначення годинної економії електроенергії, необхідно визначити для різних режимів роботи та їх різницю помножити на .

При неможливості заміни недовантаженого двигуна слід перевірити доцільність зниження напруги на його затисках. Зниження напруги живлення АД призводить до зменшення споживання реактивної потужності (за рахунок зменшення струму намагнічування) і тим самим до збільшення cos. При цьому одночасно зменшуються втрати активної потужності. Можливі наступні методи зниження напруги на мало завантажених асинхронних двигунах: переключення статорної обмотки з "трикутника" на "зірку"; секціонування статорних обмоток; пониження напруги в силовій мережі за рахунок перемикання відгалужень трансформаторів; застосування регульованого електроприводу по схемі ТРН-АД.

Вибір раціонального типу електроприводу та перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого.

Вдосконалення технологічних процесів та автоматизація виробництва пов’язані з застосуванням регульованого електроприводу. Дуже широко застосовуються схеми регулювання швидкості за рахунок введення в ланцюг ротора асинхронного двигуна додаткового опору та двигуни постійного струму незалежного збудження з регулюванням за рахунок реостату. Слід пам’ятати, що регулювання таких схем відбувається за рахунок збільшення втрат. Це дуже неекономічні способи регулювання, проте можливе їх застосування при необхідності змінювати швидкість в малому діапазоні та коли застосування інших способів регулювання економічно неефективне.

Основними типами регульованих асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором є:

• частотно – регульований електропривод, який дозволяє задовольнити самі високі вимоги по діапазону та якості регулювання швидкості та обробці складних законів руху;

• система з реалізацією енергії ковзання – асинхронно – вентильний каскад;

• система тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун ТРН-АД, призначена для масового електроприводу з керуванням режимів пуску та гальмування, а також режимів короткочасних понижень швидкості.

Частотно – регульований електропривод. Швидкість АД пропорційна частоті мережі живлення. Момент двигуна пропорційний магнітному потоку, який в свою чергу пропорційний напрузі та зворотно пропорційний частоті живлячої напруги. Таким чином момент двигуна може бути змінений шляхом підстроювання напруги під будь-яку потрібну частоту.

Для отримання постійного моменту при змінних швидкостях, необхідно мати джерело енергії з регульованою напругою та регульованою частотою, яке буде підтримувати постійним відношення . Самий відомий спосіб отримання енергії такого типу – це перетворення змінного струму промислової частоти 50 Гц в постійний струм за рахунок випрямляча, а потім знов в змінний за рахунок інвертора. В цій схемі напруга регулюється за допомогою випрямляча, а частота інвертором. Основні елементи частотно – регульова-ного п риводу є: випрямляч, інвертор, асинхронний двигун, програмний мікро контролер, а також індуктивність та (чи) ємність для стабілізації виходу випрямляча та мінімізації рівня вищих гармонік.

Функціональна схема частотно – регульованого приводу.

Асинхронний двигун з реалізацією енергії ковзання. Один з найбільш простих способів регулювання швидкості асинхронного двигуна з фазним ротором оснований на введення в ланцюг ротора додаткового резистору. Проте при цьому суттєво погіршується ККД електроприводу на регулювальних характеристиках, оскільки втрати ковзання, що виділяється на роторних резисторах витрачаються марно .

Для великих (потужних) електроприводів ці втрати досить суттєві. ККД знижується пропорційно швидкості: .

Безпосередньо використати енергію ковзання неможливо, бо частота та амплітуда струму і напруги ротора відрізняється від параметрів мережі живлення. Тому для повного використання енергії ковзання необхідно в ланцюг ротора вводити перетворювач електроенергії. Принципово існують дві можливості корисно використати енергію – повернення її на вал АД або в мережу.

В першому випадку, обмотка ротора АД, який приводить в рух робочий механізм, приєднується до нерегульованого випрямляча. Випрямляч живить якір допоміжної машини постійного струму, яка жорстко з’єднана з АД одним валом. Потужність ковзання с схемі , за винятком втрат в роторі АД, перетворювачі та допоміжній машині потрапляє у вигляді механічної потужності додаткової машини на вал двигуна . Робочій машині (АД) передається вся електромагнітна потужність, якщо знехтувати втратами в каскадній схемі.

Таким чином потужність каскаду не залежить від ковзання (швидкості) і підтримується постійна. Ці каскади називають каскадами постійної потужності.

Повернення потужності в мережу можливе в електричному вентильно-машинному каскаді та в асинхронно – вентильному каскаді. В електричному каскаді допоміжна машина не з’єднана з робочою машиною, а з’єднана одним валом з синхронним генератором, який приєднаний до мережі змінного струму. Потужність втрат передається не на вал робочої машини, а передається в мережу: .

Найбільше розповсюдження отримали асинхронно – вентильні каскади, в яких перетворювач складається з некерованого випрямляча та інвертора.

Практичний діапазон регулювання швидкості в машинних каскадах звичайно не перевищує 30%. Це пояснюється тим, що при зростанні діапазону регулювання збільшується встановлена потужність та вартість всіх елементів асинхронно – вентильного каскаду.

Система тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун. ТРН забезпечує роботу асинхронного двигуна в зоні номінальних швидкостей за рахунок переведення робочої точки з природної характеристики на регулювальну при меншій напрузі. При цьому сумарні втрати в двигуні зменшуються при роботі на регулювальній характеристиці. Економія електроенергії буде тим більша, чим менший момент двигуна по відношенню до номінального та чим більший час роботи з недовантаженням.

Використання для керування таких механізмів відносно недорогих систем ТРН-АД дозволяє здійснювати м’які пуски та зупинки. Це забезпечує зниження пускових струмів, зниження енергоспоживання на 3-6% в залежності від потужності двигуна та інтенсивності роботи.

Ефективність регулювання швидкості конвеєрних установок:

Економія електроенергії за рахунок регулювання швидкості конвеєра: , де: , - номінальний момент на валу двигуна, необхідний для переміщення стрічки та номінального вантажу при номінальній швидкості, - момент двигуна без вантажу на стрічці (вага стрічки); , - продуктивність конвеєра, - номінальна продуктивність конвеєра. При постійній номінальній швидкості конвеєра потужність на валу двигуна: . При змінній швидкості, але при постійній складовій завантаження конвеєра: .

Таким чином, ефект від регулювання швидкості тим більший, чим більший момент холостого ходу та чим менше значення продуктивності.

Ефективність регулювання швидкості установок з вентиляторним навантажненням:

При перемінній частоті обертання (з використанням частотних перетворювачів) швидкість обертання можна регулювати практично від нуля до максимальної витрати. Енергозберігаючий ефект від використання такого способу регулювання оцінюється за законами пропорційності: Споживання потужності пропорційно кубу частоти обертання, отже скорочення швидкості обертання пропорційне кубічному скороченню споживання потужності.

Контрольні запитання

1. Від чого залежить ефективність роботи електроприводу?

2. Електромеханічні характеристики асинхронного двигуна (АД) та двигуна постійного струму (ДПС).

3. Способи регулювання ДПС та АД.

4. Основні типи регульованих електроприводів на основі АД з короткозамкненим ротором. Принцип дії та їх застосування?

5. Основні заходи підвищення ефективності використання електроенергії в системах нерегульованих електроприводів?

6. Визначення умови досягнення максимального значення ККД.

7. Необхідність та способи зниження споживання асинхронним двигуном реактивної потужності з мережі.

8. Які чинники впливають на ефективність впровадження енергозберігаючих заходів?

9. За рахунок чого досягається економія електроенергії в конвеєрних установках при запровадженні регулювання швидкості стрічки?

10. Визначення потенціалу економії електроенергії в установках з вентиляторним навантаженням при запровадженні регулювання швидкості.